海水環境下某工程的結構耐久性設計及思考

馬超明

1 工程概況

某臨海排洪工程,采用三孔箱涵延伸入海,箱涵單孔孔徑5.5 m×2.9 m,其中入海段長約1 km。整個結構采用鋼筋混凝土薄板閉口結構形式。箱涵結構外底黃海高程為-0.86 m～-2.0 m,正常情況下,箱涵處于海水的半淹沒狀態。根據水質分析報告顯示,海水對混凝土結構具中等腐蝕性,對鋼筋具強腐蝕性。部分箱涵位于重載貨車運行的場地之下,該場地是受嚴格監控的重要區域,要求不得隨意進行箱涵結構的后期維護服務,鑒于此,本工程除滿足承載能力極限狀態下的結構設計工作外,在海水環境下,結構耐久性設計將是本工程考慮的重點。

2 工程耐久性設計及施工中面臨的部分問題

2.1 工程耐久性設計主要措施

1)結構采用高性能混凝土,混凝土強度等級C45,高性能混凝土的各項性能指標需要符合《海港規范》第6章的相關規定。2)采用特殊防腐蝕措施,于高性能混凝土中添加鋼筋阻銹劑(濃度為30%的亞硝酸鈣溶液)。3)混凝土保護層厚度取65 mm。4)結構計算最大裂縫控制不大于0.2 mm。5)混凝土抗滲等級不小于S8。根據GB 50108-2001地下工程防水技術規范的規定,當工程埋置深度小于10 m時,防水混凝土設計抗滲等級可取S6,本工程提高一級,取為S8。

2.2 工程施工中面臨的部分問題及思考

2.2.1 關于非結構裂縫和結構裂縫

1)高性能混凝土早期非結構裂縫控制。a.高性能混凝土早期非結構裂縫的產生。本工程結構板面(主要是頂板面)出現了大量不規則裂縫,裂縫開展寬度明顯大于《海港規范》所規定的結構最大裂縫開展寬度限值,根據現場測量,裂縫一般不深于20 mm。裂縫開展全部集中在混凝土澆筑完成后的48 h以內。顯然,此階段開展的裂縫與結構荷載效應沒有任何關系。b.高性能混凝土早期非結構裂縫產生的原因分析。首先,高性能混凝土的水泥用量較多,水化熱量大,混凝土在凝結過程中的前后溫差較大,很容易引起較高的溫降收縮應力而導致混凝土發生早期開裂。其次,高性能混凝土的水灰比較低,相比于一般普通混凝土,在強度成長的早期,其自身收縮和干燥收縮的總量一般要大于普通混凝土。再次,高性能混凝土用水量很低,基本上不泌水,因此,新拌混凝土的表面水分蒸發速率大于混凝土內部向表面泌水的速度,表面失水干燥而引起收縮,由此產生塑性開裂。c.高性能混凝土的早期非結構裂縫控制思考。其一,需要合理選擇混凝土原材料和配方(如合理的外加劑、優質的活性摻合料等),采取適當的構造措施,如混凝土溫度控制,養護控制等等。其二,可以考慮在結構中添加適當微膨脹劑來抵抗混凝土的初期收縮裂縫開展。其三,可以考慮采用纖維混凝土,但鋼纖維有腐蝕問題,不宜采用。聚丙烯纖維有較好的抗海水腐蝕性,但其實際效果有待驗證。其四,可以考慮于混凝土保護層內添加鋼絲網來抵抗非結構裂縫。

2)厚保護層和結構裂縫控制。本工程中,結構板厚采用了600 mm和550 mm兩種較厚的斷面,這也是結構裂縫控制的必然要求。根據相關文獻資料介紹,當混凝土實際保護層厚度大于30 mm時,可直接采用30 mm的保護層厚度代入GB 50010-2002混凝土結構設計規范的裂縫寬度計算公式來解決結構裂縫難以計算通過的問題。但如此處理后的結構裂縫開展情況實際到達一個怎樣的水平,需要工程實踐和理論研究來進一步證實。

2.2.2 關于部分耐久性構造措施

1)海水環境下混凝土保護層墊塊設計。《海港規范》規定:混凝土保護層墊塊宜為工字形或錐形,其強度和密實性應高于構件本體混凝土。墊塊宜采用水灰比不大于0.40的砂漿、細石混凝土或耐堿和抗老化性能好,抗壓強度不小于50 MPa的工程塑料制作。

實際工程中,如果采用細石混凝土墊塊,要求其強度等級高于本體混凝土,則對于高性能混凝土而言,混凝土強度等級至少應達到C50。如此高的強度等級和密實性能要求,在普遍采用商品化混凝土的當前,難以在施工現場完成。因此,雖然是混凝土墊塊,也需要在工廠特別定制。這除了增加成本外,考慮到混凝土保護層墊塊體量都比較小(一般邊長不大于7 cm),加工精度較高,需要特別的加工模板,因此,如果工程量需求較少,則混凝土生產商也往往不愿意生產此混凝土墊塊,更不用說把墊塊形狀做成工字形或錐形。

當然,如果采用工程塑料來做保護層墊塊,則市場上品種較多,而且也能比較好的保證加工精度和施工質量。但根據目前一般工程所使用的塑料墊塊實際情況來看,要達到其抗壓強度不小于50 MPa的要求,則市面上基本沒有。另一方面,目前所使用的塑料墊塊,如果用在海水環境下,由于其本身材料性能和混凝土本體有很大區別,因此,其與混凝土的接觸界面必然成為天然的耐久性薄弱環節,在工程竣工若干年后,當塑料老化到一定程度,勢必需要擔憂塑料墊塊的有效性。

本工程在實際操作中,采用的是高出本體混凝土強度等級一級的細石混凝土,并且采用的是立方體形狀,沒有采用異形墊塊。

2)固定模板用的拉結鋼筋的設置。結構施工中,為澆筑墻體混凝土,則立模需要采用鋼筋拉結固定準確后方可澆筑。根據工程實際需要,拉結鋼筋一般布置間距約為600 mm×600 mm,因此,如果工程規模較大,則混凝土墻體模板需要大量拉結鋼筋來作為模板固定鋼筋。

在海水環境下,究竟采用何種模板固定形式,將直接關系到結構耐久性設計的可靠性,一般情況下,可以考慮于模板外側進行支撐,而不再使用拉結鋼筋,但此種方法缺點是外支撐工程量較大,而且難以保證模板尺寸精度要求,并容易跑模,一般施工單位也不愿意采用此種方法。

另一種方法是采用傳統的鋼筋進行拉結,拉結具體形式有兩種,一種是在鋼筋外側套上一層塑料套管,待模板拆除時抽出鋼筋而留下塑料套管在混凝土內,這樣的方法使拉結鋼筋可以重復利用,工程施工成本較低,但從耐久性的角度考慮,擔心塑料套管與混凝土之間不同材料接觸的有效性以及塑料制品的老化是有必要的。因此,此種方法在耐久性方面的有效性仍有待驗證。事實上,如果采用在套管內灌漿,則效果會好些,但灌漿的密實性難以保證(管徑一般很小),同時也將難以施工和增加工程成本,而且經濟有效的灌漿材料選擇也是一個難題。因此,本工程沒有采用此方法進行模板拉結處理。另一種形式是直接采用傳統方法,模板拉結鋼筋(未埋套管)不拔除,而直接留在混凝土內,但鋼筋于混凝土墻體兩側保護層內的部分直接燒斷。拉結鋼筋露頭處,留出的混凝土保護層范圍內的空洞(一般留出50 mm×50 mm的平面,深度同保護層厚度的方坑,混凝土澆筑過程中,先用木塊或其他易于拆除的材料套在鋼筋拉桿相應準確位置上即可)采用特殊配方的材料封堵。這種方法雖然簡單,但封堵材料的選擇卻是耐久性是否可靠的關鍵因素。

3)模板拉結鋼筋端部預留洞堵縫材料的選擇。在一般普通工程中,孔洞封堵方法可采用如下幾種:a.普通砂漿;b.高于結構混凝土強度等級配方的細石混凝土;c.化學試劑封堵(如環氧樹脂砂漿材料)。

在海水環境下,普通砂漿密實性得不到保證,因此不適于作為堵洞材料。而細石混凝土材料雖然可以滿足要求,但在目前一般使用商品混凝土的情況下,如果現場對堵縫材料總方量需求有限時,混凝土生產商一般不愿意進行生產。同時,混凝土由生產廠運至現場后,考慮到初凝時間需要,應在盡可能短的時間內使用完畢。并且,堵洞工作需要人工來進行操作,這樣一來,現場需要很多工人同時進行作業,施工界面要求很大,且不同操作人員的施工質量將難以保證。因此,本工程在充分考慮后認為,采用細石混凝土不可取。

如果采用環氧樹脂砂漿進行保護層封堵,則無論從材料強度、施工時間控制、施工人力控制和質量控制,以及防腐蝕的實際效果,都是比較理想的。但通過市場調查,此種材料價格昂貴,是普通混凝土材料的幾十倍,考慮到造價控制,建設單位未同意采用環氧樹脂砂漿進行作業。如果工程實際許可,應該采用此種材料。

本工程中,根據上述實際情況,參考《海港規范》對高性能混凝土的控制參數,提出堵縫材料實際指導配方參數如下:a.采用水膠比不大于0.35的水泥砂漿;b.每立方米材料中,膠凝物質總量不小于400 kg,但一般情況下不得超過550 kg/m3;c.標準試塊軸心抗壓強度標準值需大于30 MPa;d.坍落度根據施工實際需要試驗確定;e.需摻加相互兼容的鋼筋阻銹劑和微膨脹劑,外加劑對砂漿的質量應無不利影響,外加劑氯離子含量不宜大于水泥質量的0.02%。

3 結語

1)采用高性能混凝土進行結構耐久性設計的情況下,早期混凝土的非結構裂縫開展是一個普遍現象。海水環境下的結構設計和施工構造措施會影響結構耐久性設計的性能目標。

2)海水環境下結構耐久性控制需要設計單位、建設單位、施工單位、監理單位、原材料供應單位、質量檢測單位、質量監督單位的全方位配合和緊密協作,它是一個系統工程,只有各個環節都達到要求,才可能達到整個結構的耐久性預期目標。因此,建議結構設計人員采用耐久性設計專篇的方式對結構實施的全過程進行必要控制,以期比較好的完成規范規定的耐久性控制目標。

[1] GB 50010-2002,混凝土結構設計規范[S].

[2] JTJ 275-2000,海港工程混凝土結構防腐蝕技術規范[S].

[3] 中國土木工程學會,高強與高性能混凝土委員會.高強混凝土結構設計與施工指南[M].第2版.北京:中國建筑工業出版社,2002.

[4] CCES 01-2004(2005年修訂版),混凝土結構耐久性設計與施工指南[S].